Inteligentný systém monitorovania energie: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Dopyt po energii sa zo dňa na deň zvyšuje. V súčasnej dobe je spotreba elektrickej energie od užívateľov v danej oblasti monitorovaná a vypočítaná častými návštevami terénu technikmi z elektrotechnického oddelenia pre výpočet energetickej tarify. Je to časovo náročná úloha, pretože v danej oblasti budú tisíce domov a množstvo bytov. Pokiaľ ide o mesto alebo obec, je to veľmi hektický proces. Neexistuje ustanovenie na kontrolu alebo analýzu individuálnej spotreby energie domov v určitom časovom období ani na vytváranie správ o toku energie v určitej oblasti. To je prípad mnohých miest na svete.

Na riešenie vyššie uvedeného problému nie sú implementované žiadne existujúce riešenia. Preto vyvíjame inteligentný systém monitorovania energie, ktorý uľahčí kontrolu, monitorovanie, analýzu a výpočet energetického cestovného. Systém STEMS navyše umožní generovanie grafov a správ špecifických pre používateľa alebo pre oblasť na analýzu spotreby energie a toku energie.

Krok 1: Pracovný postup

Modul STEMS obsahuje predovšetkým modul Seeedstudio Wio LTE, ktorému je priradený jedinečný užívateľský kód na identifikáciu konkrétnej bytovej jednotky, kde sa má merať spotreba energie. Spotrebu energie bude monitorovať modul Wio LTE pomocou snímača prúdu prepojeného s analógovým prepojovacím zariadením.

Údaje o spotrebe energie, jedinečný používateľský kód a umiestnenie (vstavaný modul GPS/GNSS Wio) modulu budú nahrané do cloudu STEMS (hosteného na AWS) v reálnom čase pomocou pripojenia Wio LTE a Soracom Global SIM. K údajom z cloudu je možné pristupovať a analyzovať ich, aby bolo možné vypočítať individuálnu spotrebu energie, generovať individuálne a kolektívne energetické grafy, vytvárať energetické správy a podrobnú energetickú kontrolu. Relé sú tiež prepojené tak, aby odpojili pripojené spotrebiče v prípade, že spotreba energie prekročí prahové limity. Do miestneho modulu STEMS je možné integrovať modul LCD displeja na zobrazenie hodnôt merania energie v reálnom čase. Systém bude fungovať nezávisle, ak je pripojený prenosný zdroj energie, ako je napríklad suchá batéria alebo Li-Po batéria. Inštalácia Hardvérové nastavenie je zobrazené nižšie:

STEMS Nastavenie hardvéru

Zistilo sa, že signál GPS je vo vnútri budovy slabší. Ale akonáhle budú moduly posunuté von, začneme mať dobrý príjem. GPS súradnice prijaté z modulu boli porovnané so skutočnými súradnicami GPS v Mapách Google. Bola dosiahnutá značná presnosť.

Napájanie zo siete striedavého prúdu je odoberané a vedené cez prúdový snímač, ktorý je integrovaný do okruhu domácnosti. Striedavý prúd prechádzajúci záťažou je snímaný modulom snímača prúdu a výstupné údaje zo snímača sú vedené na analógový kolík modulu WIO LTE. Akonáhle modul WIO prijme analógový vstup, meranie výkonu/energie je v programe. Vypočítaný výkon a energia sa potom zobrazí na module LCD displeja.

Pri analýze striedavých obvodov sa napätie aj prúd časom sínusovo líšia.

Skutočná sila (P): Toto je výkon, ktorý zariadenie používa na výrobu užitočnej práce. Udáva sa v kW.

Skutočný výkon = napätie (V) x prúd (I) x cosΦ

Reaktívny výkon (Q): Toto sa často nazýva imaginárny výkon, ktorý je mierou výkonu, ktorý kolíše medzi zdrojom a záťažou, čo neprináša užitočnú prácu. Vyjadruje sa v kVAr

Reaktívny výkon = napätie (V) x prúd (I) x sinΦ

Zdanlivý výkon (S): Je definovaný ako súčin napätia s koreňovým priemerom (RMS) a prúdu RMS. Toto môže byť tiež definované ako výslednica skutočného a jalového výkonu. Vyjadruje sa v kVA

Zdanlivý výkon = napätie (V) x prúd (I)

Vzťah medzi skutočnou, reaktívnou a zdanlivou silou:

Skutočná sila = zdanlivá sila x cosΦ

Reaktívny výkon = zdanlivý výkon x sinΦ

Pri analýze nám ide len o skutočnú silu.

Účinník (pf): Pomer skutočného výkonu k zdanlivému výkonu v obvode sa nazýva účinník.

Účinník = skutočná sila/zdanlivá sila

Môžeme teda merať všetky formy výkonu aj účinníka meraním napätia a prúdu v obvode. Nasledujúca časť pojednáva o krokoch vykonaných na získanie meraní, ktoré sú potrebné na výpočet spotreby energie.

Výstup zo snímača prúdu je vlna striedavého napätia. Vykonajú sa nasledujúce výpočty:

• Meranie napätia medzi špičkou (Vpp)
• Rozdelením špičkového napätia na špičku (Vpp) dvoma získate špičkové napätie (Vp)
• Vynásobením Vp 0,707 získate efektívne napätie (Vrms)
• Vynásobením citlivosti aktuálneho senzora získate efektívny prúd.
• Vp = Vpp/2
• Vrms = Vp x 0,707
• Irms = Vrms x citlivosť
• Citlivosť prúdového modulu je 200 mV/A.
• Skutočný výkon (W) = Vrms x Irms x pf
• Vrms = 230 V (známy)
• pf = 0,85 (známe)
• Irms = Získané pomocou vyššie uvedeného výpočtu

Na výpočet nákladov na energiu sa výkon vo wattoch prevedie na energiu: Wh = W * (čas / 3600000,0) watthodina miera elektrickej energie ekvivalentná spotrebe energie jeden watt počas jednej hodiny. Pre kWh: kWh = Wh / 1000 Celkové náklady na energiu sú: Náklady = náklady na kWh * kWh. Informácie sa potom zobrazia na LCD displeji a súčasne sa zapíšu na kartu SD.

Krok 2: Testovanie

Keď sa testovanie vykonalo blízko balkóna, získalo sa dostatočné množstvo príjmu GNSS.

Krok 3: Plány do budúcnosti

Vytvorí sa aplikácia na prístup k cloudovým údajom STEMS na monitorovanie spotreby energie používateľa v reálnom čase a na zobrazenie alebo generovanie správ o energetickej analýze. Inováciu na modul STEMS je možné ľahko vykonať vďaka kompatibilite s Arduino IDE. Po úspešnom dokončení môže byť tento modul vyrobený na trhu a môžu ho používať poskytovatelia energetických služieb na celom svete.